Nedifrakční a vírová světelná pole

Experimenty s nedifrakčními a vírovými stavy světla

Potlačení difrakce světla je svatým grálem v optice. Difrakce je přirozeným projevem všech typů vlnových polí, tedy i světla. Přesto byly v optice nalezeny metody, které dávají možnost difrakci v určitém smyslu překonat. Experimentálně lze vytvořit pseudo-nedifrakční (P-N) svazek, jehož energie je lokalizovaná v úzké nerozbíhavé světelné trubici konečné délky. Pozoruhodné je, že v rámci určitých technických limitů lze dosah svazku podle potřeby prodloužit, aniž by se zvětšil jeho příčný rozměr. Například pomocí generátoru P-N svazků zkonstruovaného na katedře optiky ve spolupráci s firmou Meoptou-optika, s.r.o., je možné vytvořit svazek s poloměrem stopy 200 μm a extrémním dosahem 14 m (pro srovnání Rayleighova vzdálenost odpovídajícího gaussovského svazku je přibližně 0,25 m). Pomocí dodatečné optiky lze svazek zůžit na poloměr 2 μm a použít pro optické manipulace. Na katedře optiky byly také navrženy a experimentálně ověřeny metody, které umožňují generaci P-N svazků „na požádání“. Těmito metodami lze vytvářet nejen jednoduché P-N svazky a matice svazků, ale i vírové struktury se složitou topologií. Fyzikální variabilitu P-N polí je možné experimentálně plně využít díky moderním technologiím prostorové modulace světla (PMS), kterými se na katedře optiky také dlouhodobě zabýváme. P-N struktury mají celou řadu specifických vlastností, které dávají prostor pro širokou škálu vědeckých i technických aplikací.

Přenos hybnosti a momentu hybnosti světelnými svazky

Optické záření přenáší nejen energii, ale i hybnost a moment hybnosti. Změna těchto veličin při interakci s elektricky neutrálními objekty může být využita k jejich zachycení, přemístění, třídění nebo ovladatelné rotaci. Optické manipulace v kombinaci se spektroskopickými technikami jsou mocným nástrojem v celé řadě aplikací biologie, chemie, materiálové vědy a fyziky. Katedra optiky spolupracuje s předními skupinami laserových manipulací na uplatnění P-N svazků v této oblasti.Výsledkem jsou experimenty ověřující transport částic pomocí P-N svazků (ÚPT AV ČR), návrh a realizace pracovní stanice pro biofotoniku (Univ. St. Andrews) nebo pokročilé metody tvarování světla pro vytváření 3D světelných pastí (Univ. Glasgow). Na katedře optiky byla zkonstruována a realizována holografická optická pinzeta, která umožňuje optické manipulace, které jsou v reálném čase ovládány pomocí PMS. Tímto způsobem lze vytvářet jednoduché i vícenásobné optické pasti, které umožňují zachycení částic, nebo jejich plynulé přemístění či řízenou rotaci. Demonstrace dvou možných režimů činnosti realizované pinzety je zde. Ukázka přenosu orbitálního momentu hybnosti na zachycené polystyrénové kuličky je zde.

Vírový přenos informace

Významnou součástí moderní fyziky je oblast zaměřená na studium singularit vln různého původu. Náš výzkumný program je orientován na polarizační a zejména fázové singularity v optice. Zvláštní pozornost je věnována fyzikálním vlastnostem a experimentům zaměřeným na topologii spirálních fázových singularit, která souvisí se světelnými víry. Topologie světelného víru je určena parametrem, který je nazýván topologický náboj. Ten vyjadřuje míru nespojitosti fáze a velikost orbitálního momentu hybnosti, které vírové pole přenáší. Na katedře optiky byla navržena, experimentálně ověřena a realizována metoda, která umožňuje použít světelné víry pro přenos informace volným prostorem. Na rozdíl od tradičního přenosu informace sekvencí impulsů, u vírové metody je informační kód zapsán přímo do prostorové struktury smíšeného vírového pole. Dekódovaní informace se provádí metodou, ve které slouží topologické náboje jednotlivých vírových stavů jako identifikační „značky“. Komunikační vírový kanál byl sestaven a ověřen v laboratorních podmínkách katedry optiky. V následném výzkumu byla metoda rozpracována na řadě pracovišť a bylo navrženo i její užití v oblasti radiových vln.

Vírové stavy světla a základní fyzikální principy

Kromě aplikačního potenciálu jsou vírové světelné stavy zajímavým objektem bádání i z pohledu základních fyzikálních principů. Světlo za určitých podmínek přenáší spin vázaný na jeho vektorový stav i orbitální moment hybnosti související s fázovou topologií. Teoretickým, dosud neřešeným problémem, je separace spinu a orbitálního momentu hybnosti za obecných podmínek šíření světla. Zajímavým podnětem, který čeká na experimentální ověření, je detekce magnetické složky nebo gradientu elektrické složky pole v místech fázových singularit. Světelné víry mají rovněž určité analogie s elektrostatikou. Podle znaménka topologického náboje (vyjadřuje orientaci stoupání šroubovité vlnoplochy víru) může dojít k přitahování nebo odpuzování vírů, za určitých okolností může dojít i k jejich anihilaci. Zajímavé prostorové efekty nastávají u smíšených vírových polí. Příkladem je demonstrovaná rotace intenzitního profilu dvojice vírů, ke které dochází při šíření volným prostorem. Popularizační pojednání o světelných vírech jsou zde (vesmir.pdf, ccf.pdf).

Dalším významným námětem je neurčitost mezi úhlovým rozdělením pole a jeho orbitálním momentem hybnosti. Dá se ukázat, že odpovídající veličiny jsou vázány relacemi neurčitosti. Katedra optiky k této diskusi přispěla teoretickou analýzou a experimentálním ověřením inteligentních stavů, které představují optimální rozdělení informace mezi úhel a orbitální moment hybnosti.

Kontakt pro zájemce o doktorské studium: prof. Z. Bouchal | bouchal@optics.upol.cz